3.1 重组DNA技术的基本操作（第1课时）课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

该高中生物学课件聚焦重组DNA技术的基本工具，从转基因抗虫棉、番木瓜的实例切入，以“分子手术刀”“缝合针”“运输车”为喻，通过资料卡、巩固练习、思考讨论等支架，构建从社会问题到工具原理的知识脉络。 其亮点在于融合生命观念（如限制酶识别序列与切割功能的结构与功能观）、科学思维（如DNA连接酶与聚合酶的比较归纳）和探究实践（如模拟DNA切割重组活动、视频演示），助力学生深化理解，教师可借助结构化素材提升教学效率。

第3章 基因工程 我国是棉花的生产和消费大国。棉花在种植过程中，常常会受到一些害虫的侵袭，其中以棉铃虫最为常见。棉铃虫可以使棉花产量减少三分之一，严重时，甚至能使一片棉田绝收。大量施用农药杀虫不仅会提高生产成本，还可能造成农产品和环境的污染。要是能培育出自身就能抵抗虫害的棉花新品种，这一问题就会迎刃而解，我国拥有自主知识产权的转基因抗虫棉就是在这样的背景下产生的。为什么传统的杂交育种方法培育不出抗虫棉，基因工程却可以呢？基因工程是如何进行操作的？它给我们的生产和生活带来了怎样的影响？ 1944年艾弗里等人通过肺炎链球菌的转化实验，不仅证明了遗传物质是DNA，还证明了DNA可以在同种生物个体间转移。 1961年尼伦伯格和马太破译了第一个编码氨基酸的密码子。截至19666年，64个密码子均被破译成功。 1970年科学家在细菌中发现了第一个限制性内切核酸酶（简称限制酶） 1972年，伯格首先在体外进行了DNA的改造，成功构建了第一个体外重组DNA分子。 1982年，第一个基因工程药物-重组人胰岛素被批准上市。基因工程药物成为世界各国研究和投资开发的热点。 1953年沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构模型并提出了遗传物质自我复制的假说。 1967年，科学家发现，在细菌拟核DNA之外的质粒有自我复制能力，并可以在细菌细胞间转移。 20世纪70年代初，多种限制酶、DNA连接酶和逆转录酶被相继发现。这些发现为DNA的切割、连接以及功能基因的获得创造了条件。 1973年，科学家证明了质粒可以作为基因工程的载体，并实现了物种间的基因交流。至此，基因工程正式问世。 1985年，穆里斯等人发明PCR,为获取目的基因提供了有效手段。 科技探索之路 基因工程的发展历程 1.别名：_____________ 2.原理：_____________ 3.操作对象：_________ 4.操作水平：_________ 5.结果________________________________， _______________________________。 基 基因工程 指按照人们的愿望，通过转基因等技术，赋予生物新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。从技术操作层面看，由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫作重组DNA技术。 重组DNA技术 基因 分子水平 基因重组 赋予生物新的遗传特性，创造出更符合 人们需要的新的生物类型和生物产品 转基因抗虫棉 普通棉花 转基因抗虫棉为什么能抗虫？ 转基因抗虫棉为什么能抗虫？ 抗虫棉 Bt抗虫蛋白 转基因抗虫棉为什么能抗虫？ 抗虫棉 Bt抗虫蛋白 Bt基因 转录 翻译 mRNA 苏云金杆菌 取出？ 转移？ 怎么实现这一操作过程？ 准确切割DNA分子的“分子手术刀” 抗虫棉 Bt抗虫蛋白 苏云金杆菌 取出？ 转移？ 怎么实现这一操作过程？ 将DNA片段再连接起来的“分子缝合针” 将体外重组好的DNA分子导入受体细胞的“分子运输车” 首先要在体外对含有所需要基因的DNA分子进行“切割”、改造和“拼接”；然后，将重组DNA分子导入棉花体细胞内，并使其在细胞中表达。 第1节 重组DNA技术的基本工具 （第1课时） 02 认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。 进行DNA的粗提取与鉴定。 阐明重组DNA技术所需的三种基本工具的作用。 目标 01 03 学习目标 11 番木瓜容易受番木瓜环斑病毒的侵袭。当番木瓜被这种病毒感染后，产量会大大下降。科学家通过精心设计，用“分子工具”培育出了转基因番木瓜，它可以抵御番木瓜环斑病毒。 DNA双螺旋的直径只有2nm,对如此微小的分子进行操作，是一项非常精细的工作，更需要专门的“分子工具”。那么，科学家究竟用到了哪些“分子工具”？这些“分子工具”各具有什么特征呢？ 转基因番木瓜 非转基因番木瓜 从社会中来 分子 工具 分子手术刀 分子缝合针 分子运输车 限制性内切核酸酶： DNA连接酶： 基因进入受体细胞的载体： 准确切割DNA分子 将DNA片段连接起来 将体外重组好的DNA分子 导入受体细胞 从社会中来 拼接的基础 ①DNA的基本组成单位相同（四种脱氧核苷酸） 表达的基础 ②都遵循碱基互补配对原则 ③DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构 ①基因是控制生物性状的结构与功能单位 ②遗传信息的传递都遵循中心法则 ③生物界几乎共用一套密码子 不同生物的基因为什么能拼接？为什么一种生物的基因 可以在另一种生物细胞内表达? 主要是原核生物 1、来源： 2、种类: 数千种 ※ 限制酶不是一种酶，而是一类酶。 3、特点： (1)能够识别双链DNA分子的特定核苷酸序列 (2)使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开。 一、限制性内切核酸酶(限制酶)——“分子手术刀” ※ 确切来说应该是催化磷酸二酯键断开 该过程的“特定”体现了酶的专一性 ※ 限制酶只切割两个核苷 酸之间的磷酸二酯键 5’ 3’ 5’ 3’ 磷酸二酯键 例如，EcoRⅠ限制酶的识别序列为从 5’端→3’端 方向的识别序列均为GAATTC，并切断G和A之间 的磷酸二酯键。 EcoRⅠ限制酶切割 *EcoRⅠ识别序列为GAATTC *EcoRⅠ切割部位为GA之间的磷酸二酯键 一、限制性内切核酸酶(限制酶)——“分子手术刀” 小练习： 粘质沙雷氏杆菌（Serratia marcesens）中分离的第一种限制酶即_______ 资料卡——限制酶名字的由来 用生物属名的头一个字母与种加词的头两个字母，组成了3个字母的略语，以此来表示这个酶是从哪种生物中分离出来的。 例如一种限制酶是从大肠杆菌（Escherichia coli）的R型菌株分离来的，就用字母EcoR表示； 如果它是从大肠杆菌R型菌株中分离出来的第一种限制酶，则进一步表示成EcoRⅠ。 SmaⅠ 一、限制性内切核酸酶(限制酶)——“分子手术刀” 4、识别序列特点 大多数限制酶的识别序列由___个核苷酸 组成，也有少数限制酶的识别序列由___个、 ___个或_________的核苷酸组成。 EcoRⅠ 5’…G-A-A-T-T-C…3’ 3’…C-T-T-A-A-G…5’ SmaⅠ 5’…C-C-C-G-G-G…3’ 3’…G-G-G-C-C-C…5’ BamHⅠ 5’…G-G-A-T-C-C…3’ 3’…C-C-T-A-G-G…5’ TaqⅠ 5’……T-C-G-A……3’ 3’……A-G-C-T……5’ 呈现碱基互补对称，无论是6个碱基还是4个碱基，都可以找到一条中心轴线，中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的 ，称为回文序列。 6 4 8 其他数量 中轴线 限制酶所识别序列的特点是： 1.下面哪项不具有限制酶识别序列的特征（ ） A．GAATTC B．GGGGCCCC CTTAAG CCCCGGGG C．CTGCAG D．CTAAATC GACGTC GATTTAG D 巩固练习 EcoR Ⅰ (在G与A之间切割) 中轴线 黏性末端 平末端 Sam Ⅰ (在G与C之间切割) 形成黏性末端或平末端 一、限制性内切核酸酶(限制酶)——“分子手术刀” 5、结果： 现学现用：写出下列限制酶切割形成的黏性末端 BamHⅠ________ EcoRⅠ________ HindⅢ________ BglⅡ ________ GATC AATT AGCT GATC *思考：你从中发现什么现象了？ 不同的限制酶切割可能形成相同的黏性末端 现学现用： 以下黏性末端是由___种限制酶作用产生的 3 *思考：你从中发现什么现象了？ 相同的黏性末端也可能是由不同限制酶作用形成的 5’ 5’ 5’ 3’ 3’ 3’ B 巩固练习 G A A T T C C T T A A G G A A T T C C T T A A G G C T T A A A A T T C G G C T T A A A A T T C G 用同种限制酶(EcoRⅠ)切割 思考： 把两种来源不同的DNA进行重组，应该怎样处理？ G C T T A A A A T T C G G C T T A A A A T T C G 这样两种来源不同的DNA片段就可以重组了 只有同种限制酶切割的DNA片段才能连接吗？ 现学现用: P75拓展应用2 有2个不同来源的DNA片段A和B，A片段用限制酶SpeⅠ进行切割，B片段分别用限制酶HindⅢ、XbaⅠ、EcoRⅤ和XhoⅠ进行切割，各限制酶的识别序列和切割位点如下： 哪种限制酶切割B片段产生的DNA 片段能与限制酶SpeⅠ切割的 A片段产生的DNA片段相连接，为什么？ XbaⅠ。 因为XbaⅠ与SpeⅠ切割产生了相同的黏性末端。 能切下目的基因且不破坏目的基因 下图中，选择哪种限制酶来获得抗病基因（目的基因）？ 选择限制酶切割目的基因的基本原则是： ____________________________________________________。 思考： 只用PstⅠ或同时用PstⅠ和Eco RⅠ切割。 1.你能根据所掌握的知识，推测限制酶存在于原核生物中的主要作用 是什么吗？ 原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，所以它在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制。限制酶就是它的一种防御性工具。当外源DNA入侵时，它会利用限制酶来切割外源DNA，使之失效，以保证自身的安全。 2.为什么限制酶不剪切细菌本身的DNA? 微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制，可以将外源入侵的DNA降解掉。生物在长期的演化过程中，含有某种限制酶的细胞，其DNA分子中不具备这种限制酶的识别切割序列，或者通过甲基化酶将甲基转移到所识别序列的碱基上，使限制酶不能将其切开。这样，尽管细菌中含有某种限制酶，也不会使自身的DNA被切断，并且可以防止外源DNA的入侵。 旁栏思考题 一、限制性内切核酸酶(限制酶)——“分子手术刀” 将双链 DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的磷酸二酯键 。 二、DNA连接酶 ——“分子缝合针” 1、作用： 恢复被限制酶切开的____________ 类型 E.coli DNA连接酶 T4 DNA连接酶 来源 功能 功能特性 E.coli DNA连接酶连接具有平末端的DNA片段的效率要 远远 T4 DNA连接酶。 大肠杆菌 T4噬菌体 磷酸二酯键 二、DNA连接酶 ——“分子缝合针” 2、种类： 低于 二、DNA连接酶 ——“分子缝合针” 32 C G A A T T DNA连接酶 DNA连接酶 A T A G T C 连接两个DNA片段 3. 与DNA聚合酶区别： 二、DNA连接酶 ——“分子缝合针” DNA连接酶： 二、DNA连接酶 ——“分子缝合针” C A A T T G A G T A T C DNA聚合酶 DNA聚合酶： 3. 与DNA聚合酶区别： 将单个脱氧核苷酸连接到已有的DNA片段上，形成磷酸二酯键。 DNA连接酶和DNA聚合酶的比较 DNA连接酶 DNA聚合酶 作用实质 化学本质 不 同 点 模板 作用对象 用途 都能催化形成磷酸二酯键 都是蛋白质 不需要 需要DNA的一条链作模板 形成重组DNA分子 形成DNA的一条链 基因工程 DNA复制 只能将单个核苷酸连接到已有的DNA片段上，形成磷酸二酯键 在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键 二、DNA连接酶 ——“分子缝合针” 相同点 作用结果 名称 作用部位 作用结果 限制酶 DNA连接酶 DNA聚合酶 DNA(水解)酶 解旋酶 磷酸二酯键 碱基对之间的氢键 将DNA切成两个片段 磷酸二酯键 将两个DNA片段连接为一个DNA分子 磷酸二酯键 将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端 磷酸二酯键 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸 将双链DNA分子局部解旋为单链 归纳总结 与DNA相关的五种酶的比较 3.如图为DNA分子的某一片段，其中①②③分别表示某种酶的作用部位， 则相应的酶依次是（ ） A．DNA连接酶、限制性内切核酸酶、解旋酶 B．限制性内切核酸酶、解旋酶、DNA连接酶 C．解旋酶、限制性内切核酸酶、DNA连接酶 D．限制性内切核酸酶、DNA连接酶、解旋酶 C 巩固练习 4.DNA连接酶是重组DNA技术中常用的一种工具酶。下列相关叙述 正确的是（ ） A.能连接DNA分子双链碱基对之间的氢键 B.能将单个脱氧核苷酸加到DNA片段的末端，形成磷酸二酯键 C.能连接用同种限制酶切开的两条DNA片段，重新形成磷酸二酯键 D.DNA连接酶只能连接双链DNA片段互补的黏性末端 C 巩固练习 (1)最常用的载体： 三、基因进入受体细胞的载体 ——“分子运输车” 1. 载体的作用： 作为运载工具，将目的基因运输到受体细胞中。 2. 载体的种类： 一种裸露的、结构简单、独立于真核细胞细胞核或原核细胞拟核DNA之外，并具有自我复制能力的环状双链DNA分子。 ①概念： ②基因工程使用的质粒的特点： 在基因工程操作中，真正被用作载体的质粒， 都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。 质粒 (2)其他载体： 噬菌体、动植物病毒等 不同的载体来源不同，在大小、结构、复制方式以及 可以插入外源DNA片段的大小也有很大差别。 三、基因进入受体细胞的载体 ——“分子运输车” 3. 质粒作为载体所具备的条件： (1)有一个至多个限制酶切割位点。 作用：供外源DNA片段（基因）插入其中。 (2)能在受体细胞中进行自我复制，或整合 到受体DNA上，随受体DNA同步复制。 作用：使外源基因在受体细胞中稳定存在并复制。 (3)有特殊的标记基因。 作用：便于重组DNA分子的筛选。 如四环素抗性基因、氨苄青霉素抗性基因等。 (4)对受体细胞无害。 补充：标记基因对重组DNA分子的筛选原理 重组DNA导入受体细胞不是100%，而且导入率较低。 只有含有重组质粒，并且重组质粒上的基因表达的受体细胞才能存活并增殖。 AATTCCATAC… GGTATG… …TCCTAG …AGGATCTTAA …TATCGTACGATAGGTACTTAA …ATAGCATGCTATCCATG AATTCGGCATAC… GCCGTATG… GAGCCATACTTAA AATTCTCGGTATG GAGCCATACTTAA AATTCTCGGTATG 思考·讨论 重组DNA分子 5’ 5’ 5’ 5’ 3’ 3’ 3’ 3’ 请你在上述序列中找到EcoRⅠ的识别序列和切割位点。然后，用剪刀进行“切割”。待切割位点全部切开后，将从下面那条DNA链上切下的片段重组到上面那条DNA链的切口处，并用透明胶带将切口粘连起来。 1.剪刀和透明胶条分别代表哪种“分子工具” ? 剪刀代表限制酶；透明胶条代表DNA连接酶。 根据学生实际操作的情况进行指导。如果制作的黏性末端的碱基不能互补配对，可能是剪切位点或连接位点选得不对，也可能是其他原因。 2.你制作的黏性末端的碱基能不能互补配对？如果不能，可能是 什么原因造成的？ 思考·讨论 …TATCGTACGATAGGTACTTAA …ATAGCATGCTATCCATG AATTCGGCATAC… GCCGTATG… GAGCCATACTTAA AATTCTCGGTATG 讨论 3.你插入的DNA片段能称得上一个基因吗？ 不能，因为基因的长度一般在100个碱基对以上 思考： 1.从以上操作可推知，在切割含“目的片段”的DNA分子时， 需用限制酶切割____次此DNA分子，产生____个末端,出现 ____个游离的磷酸基团 2.目的片段翻转过来，可以连接吗？_____ 3.目的片段可以自身环化吗？______ 4.切割目的基因和载体时，需要用______限制酶,目的是 ____________________ 2 4 4 同种 产生相同的黏性末端 一定是同一种限制酶吗？ 可以 可以 思考·讨论 …TATCGTACGATAGGTACTTAA …ATAGCATGCTATCCATG AATTCGGCATAC… GCCGTATG… GAGCCATACTTAA AATTCTCGGTATG 视频演示：重组DNA分子 拓展练习： 下列操作中最好选用哪种限制酶切割构建重组DNA分子？ （注：AmpR表示氨苄青霉素抗性基因，neo表示新霉素抗性基因） HindⅢ和PstⅠ: 防止目的基因的自身环化 防止目的基因反向连接到载体 6.质粒是基因工程中最常用的运载体，它的主要特点是（ 　） ①能自主复制 ②不能自主复制 ③结构很小 ④蛋白质 ⑤环状RNA ⑥环状DNA ⑦能“友好”地“借居” A．①③⑤⑦ B．①④⑥ C．①③⑥⑦ D．②③⑥⑦ C 巩固练习 7.下列关于基因运输工具——载体，必须具备的条件之一及理由 均正确的是（ ） A.能够复制，以便目的基因插入其中 B.具有多个限制酶切割位点，便于目的基因的表达 C.具有某些标记基因，便于重组DNA的筛选 D.对受体细胞无害，便于重组DNA的筛选 C 巩固练习 质粒、噬菌体 、动植物病毒等。 限制酶 DNA连接酶 载体 ①有一个至多个限制酶切割位点； ②能自我复制或能整合到宿主DNA上； ③有特殊的标记基因； ④对受体细胞无害。 基因工程的基本工具 作为载体的条件 种类： 磷酸二酯键 来源 ： 主要来源于原核生物 特点： 作用部位： 具有专一性 结果： 形成黏性末端或平末端 连接部位：磷酸二酯键 种类： E.coliDNA连接酶、T4 DNA连接酶 作用： 把两条双链DNA片段拼接起来 课堂小结 谢谢聆听! 同学们辛苦啦！ 50 Lavf58.29.100 Bilibili VXCode Swarm Transcoder v0.7.28 FormatFactory : www.pcfreetime.com Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $